周 亮,徐 薇

(咸寧職業(yè)教育〈集團(tuán)〉學(xué)校 湖北 咸寧 437000)

0 引言

隨著全球工業(yè)化和城市化的不斷發(fā)展,環(huán)境污染和資源的過度利用成了當(dāng)今社會面臨的重大挑戰(zhàn)之一。為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo),監(jiān)測和評估環(huán)境狀況的重要性日益凸顯[1-2]。為此,基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種將大量分布式傳感器節(jié)點(diǎn)連接在一起的先進(jìn)技術(shù),可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和收集環(huán)境中的各種參數(shù)和數(shù)據(jù)。該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景,可應(yīng)用于氣候變化、空氣質(zhì)量、水資源管理、土壤污染、噪聲水平等多個(gè)領(lǐng)域[3-5]。通過傳感器網(wǎng)絡(luò),可以獲得環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),對環(huán)境狀況進(jìn)行監(jiān)測和評估,并提供及時(shí)的響應(yīng)和決策支持。

本文提出設(shè)計(jì)一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集。該系統(tǒng)可以收集大量的環(huán)境數(shù)據(jù),傳輸?shù)胶罄m(xù)可數(shù)據(jù)分析和提取處理部分有價(jià)值的信息和知識。這些信息和知識將為環(huán)境保護(hù)和資源管理提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。本文首先介紹環(huán)境監(jiān)測的流程,然后設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),并對系統(tǒng)中的監(jiān)測終端設(shè)計(jì)、路由設(shè)計(jì)、無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵組成部分做了詳細(xì)論述,最后討論該系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 環(huán)境監(jiān)測流程

環(huán)境監(jiān)測流程如圖1所示。環(huán)境監(jiān)測流程常分為監(jiān)測點(diǎn)布置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析4個(gè)部分。

圖1 環(huán)境監(jiān)測流程

監(jiān)測點(diǎn)布置是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步,它涉及選擇合適的監(jiān)測點(diǎn)位以覆蓋目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域。在布置監(jiān)測點(diǎn)時(shí),需要考慮環(huán)境特征、監(jiān)測對象、監(jiān)測要求及資源限制等因素。監(jiān)測點(diǎn)的位置應(yīng)能夠充分代表監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境狀況,并提供準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一,它包括傳感器的選擇與部署、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸?shù)冗^程。通過布置在監(jiān)測點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn),可以實(shí)時(shí)感知環(huán)境中的各種參數(shù),如溫度、濕度、氣體濃度等。采集到的數(shù)據(jù)將通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心或數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲和分析。數(shù)據(jù)處理是對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、校正和整理的過程。在數(shù)據(jù)處理中,可能會包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)校正、數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等操作,以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。數(shù)據(jù)處理還可以包括數(shù)據(jù)融合,將來自不同傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,形成更全面、綜合的環(huán)境信息。數(shù)據(jù)分析是對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析的過程,以提取有價(jià)值的信息和知識。數(shù)據(jù)分析可以包括統(tǒng)計(jì)分析、模式識別、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法。通過數(shù)據(jù)分析,可以揭示環(huán)境參數(shù)的變化趨勢、異常事件和相關(guān)關(guān)系,為環(huán)境監(jiān)測和決策提供科學(xué)依據(jù)。

這4個(gè)部分在環(huán)境監(jiān)測流程中相互依存、相互作用。監(jiān)測點(diǎn)布置決定了數(shù)據(jù)采集的范圍和質(zhì)量,數(shù)據(jù)采集提供了數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ),而數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析則是從采集到的原始數(shù)據(jù)中提取有用信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過有效的監(jiān)測點(diǎn)布置、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集、精細(xì)的數(shù)據(jù)處理和深入的數(shù)據(jù)分析,環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以為環(huán)境保護(hù)和資源管理提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)支持。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括監(jiān)測終端、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)網(wǎng)絡(luò)、Internet和監(jiān)測中心。監(jiān)測終端采集數(shù)據(jù)后,通過ZigBee終端節(jié)點(diǎn)傳輸給ZigBee路由節(jié)點(diǎn),然后通過無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接GPRS網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng),與監(jiān)測中心進(jìn)行通信。以下將詳細(xì)介紹它們各自的工作原理。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測終端是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的最基本組成部分,它安裝在監(jiān)測點(diǎn)上,通過傳感器采集環(huán)境參數(shù),并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測終端需要具有一定的計(jì)算和通信能力,能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸。

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)是連接監(jiān)測終端和ZigBee路由節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵組件,它具有無線通信能力和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持,能夠?qū)⒈O(jiān)測終端采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee路由節(jié)點(diǎn)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)還可以接收來自ZigBee路由節(jié)點(diǎn)的控制指令,實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測終端的遠(yuǎn)程控制和管理。ZigBee路由節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSN)中的中間節(jié)點(diǎn),具有數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能,能夠?qū)碜訸igBee終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。ZigBee路由節(jié)點(diǎn)還能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和維護(hù),保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠性。

無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是連接WSN和互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),它能夠?qū)igBee路由節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)還能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲,實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的緩存和轉(zhuǎn)發(fā)。GPRS網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)是WSN與監(jiān)測中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵通道。GPRS網(wǎng)絡(luò)是一種廣泛應(yīng)用的無線通信技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?；ヂ?lián)網(wǎng)是一種全球性的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享和遠(yuǎn)程通信。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng),無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心,并接收監(jiān)測中心的指令和反饋。

監(jiān)測中心是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的核心部分,它具有數(shù)據(jù)存儲和處理功能,并能發(fā)出指令控制監(jiān)測終端的工作情況。

監(jiān)測終端、路由設(shè)計(jì)和無線網(wǎng)關(guān)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心,因此將著重設(shè)計(jì)這3個(gè)部分。

2 監(jiān)測終端設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示,監(jiān)測終端包括電源供應(yīng)、數(shù)據(jù)采集單元、ZigBee模塊、聯(lián)合測試工作組(joint test action group,JTAG)接口和液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)顯示的電路。電源供應(yīng)為監(jiān)測終端提供穩(wěn)定的電力,數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù),ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)終端與其他節(jié)點(diǎn)之間的無線通信,JTAG接口用于調(diào)試和編程,液晶顯示電路用于實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。

圖3 監(jiān)測終端的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

具體來說,電源供應(yīng)是監(jiān)測終端的基礎(chǔ)組件,為整個(gè)終端提供所需的電力。它可以通過電池、電源適配器或太陽能電池板等方式提供穩(wěn)定的電源。電源供應(yīng)保證監(jiān)測終端正常運(yùn)行,同時(shí)也為其他組件提供所需的電力。數(shù)據(jù)采集單元是監(jiān)測終端的核心部件,負(fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù)和數(shù)據(jù)。它通過傳感器或傳感器陣列來感知環(huán)境的各種參數(shù),如PM2.5、CO、溫度和濕度等。采集到的數(shù)據(jù)將傳輸?shù)狡渌M件進(jìn)行處理和傳輸。ZigBee模塊是監(jiān)測終端與其他節(jié)點(diǎn)通信的關(guān)鍵部件,它基于ZigBee無線通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)終端與其他ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。通過ZigBee模塊,監(jiān)測終端可以與其他終端或路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信。JTAG接口是一種用于測試和調(diào)試電子設(shè)備的通用接口標(biāo)準(zhǔn)。在監(jiān)測終端中,JTAG接口用于與設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和編程。它可以連接到開發(fā)工具或調(diào)試設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對終端的程序加載、調(diào)試和故障診斷等操作。LCD顯示電路是為了實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和交互而設(shè)計(jì)的部件。它通過驅(qū)動液晶顯示屏來顯示監(jiān)測終端采集到的數(shù)據(jù)和相關(guān)信息。用戶可以通過液晶顯示屏獲取實(shí)時(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù),并進(jìn)行相應(yīng)的操作和設(shè)置。

3 路由設(shè)計(jì)

路由的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示,路由節(jié)點(diǎn)包括電源模塊、JTAG接口、ZigBee模塊。其中ZigBee模塊包括存儲器、處理器和無線射頻模塊。路由節(jié)點(diǎn)包括電源模塊、JTAG接口和ZigBee模塊。這些組件的協(xié)同工作確保了路由節(jié)點(diǎn)在WSN中的正常運(yùn)行和通信能力。

圖4 路由的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

ZigBee模塊是路由節(jié)點(diǎn)中的關(guān)鍵組件,它基于ZigBee無線通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的無線通信。ZigBee模塊包括存儲器、處理器和無線射頻模塊。存儲器用于存儲路由節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)的程序代碼、數(shù)據(jù)和臨時(shí)存儲。它提供了臨時(shí)存儲和數(shù)據(jù)交換的空間,支持節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行和通信。處理器是ZigBee模塊的核心部分,負(fù)責(zé)控制和管理節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行。它執(zhí)行存儲在內(nèi)存中的程序代碼,處理數(shù)據(jù)和指令,并協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的通信和路由功能。

無線射頻模塊是實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間無線通信的關(guān)鍵組件。它負(fù)責(zé)將處理器處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無線信號,并通過無線信道與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。無線射頻模塊還能接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號,并將其轉(zhuǎn)換為處理器可識別的數(shù)據(jù)。

4 無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示,無線網(wǎng)關(guān)包括電源模塊、ZigBee模塊和GPRS模塊。其中GPRS模塊包括天線和SIM卡插座。

圖5 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

ZigBee模塊能夠接收來自ZigBee終端節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),并將其轉(zhuǎn)發(fā)到GPRS模塊或其他目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。ZigBee模塊在無線網(wǎng)關(guān)中起著數(shù)據(jù)接收、傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)的重要作用。GPRS模塊是無線網(wǎng)關(guān)中的另一個(gè)重要組件,它提供與GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接功能。GPRS模塊中,天線用于接收和發(fā)送GPRS信號,確保與GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線通信。它通過天線將無線網(wǎng)關(guān)與GPRS基站相連,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和通信。SIM卡插槽用于插入SIM卡,SIM卡是連接到移動通信網(wǎng)絡(luò)所需的關(guān)鍵介質(zhì)。通過SIM卡,GPRS模塊可以進(jìn)行身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)傳輸和與移動通信運(yùn)營商的通信,以便實(shí)現(xiàn)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接。

這些組件使無線網(wǎng)關(guān)能夠接收來自ZigBee模塊的數(shù)據(jù),并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測中心或其他目標(biāo)進(jìn)行通信。無線網(wǎng)關(guān)在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中起著重要的橋梁作用,實(shí)現(xiàn)了WSN與外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸和互聯(lián)互通。

5 分析與討論

該系統(tǒng)具有多層級架構(gòu)、WSN、多種數(shù)據(jù)通信方式、實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程管理,以及數(shù)據(jù)可靠性和系統(tǒng)可擴(kuò)展性特點(diǎn)。以上特點(diǎn)使得系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的高效、準(zhǔn)確和可靠,具備靈活性和可擴(kuò)展性,適用于不同環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用場景的需求。

(1)多層級架構(gòu):該系統(tǒng)采用多層級架構(gòu)設(shè)計(jì),包括監(jiān)測終端、路由節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測中心等組件。該層級架構(gòu)能夠有效地組織和管理系統(tǒng)中的各個(gè)組件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析的功能,并支持系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性。

(2)WSN:系統(tǒng)中的監(jiān)測終端和路由節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,構(gòu)建了一個(gè)WSN。無線網(wǎng)絡(luò)具有自組織、低功耗、低成本等特點(diǎn),能夠靈活布置監(jiān)測節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。

(3)多種數(shù)據(jù)通信方式:系統(tǒng)中的無線網(wǎng)關(guān)通過集成了ZigBee模塊和GPRS模塊,實(shí)現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)通信方式。ZigBee模塊用于節(jié)點(diǎn)間的短距離無線通信,而GPRS模塊則通過移動通信網(wǎng)絡(luò)連接到監(jiān)測中心,實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控。這種多種通信方式的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)具備了高靈活性和廣泛覆蓋的特點(diǎn)。

(4)實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程管理:通過監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)采集和無線通信,該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的變化,并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理。同時(shí),通過GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接,監(jiān)測中心可以對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和控制,包括數(shù)據(jù)接收、命令下發(fā)和配置調(diào)整等功能。

(5)數(shù)據(jù)可靠性和系統(tǒng)可擴(kuò)展性:系統(tǒng)中的各個(gè)組件經(jīng)過合理設(shè)計(jì)和配置,能夠保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。監(jiān)測終端和路由節(jié)點(diǎn)的選擇和布置要考慮環(huán)境特點(diǎn)和數(shù)據(jù)需求,以確保采集到的數(shù)據(jù)具有代表性和可信度。同時(shí),系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)和可擴(kuò)展性使得可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)整和擴(kuò)展,滿足不同規(guī)模和應(yīng)用場景下的環(huán)境監(jiān)測需求。

6 總結(jié)

綜上所述,本文設(shè)計(jì)的基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性和應(yīng)用前景。通過采用多層級架構(gòu)和WSN技術(shù),系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集,具備了高靈活性和廣泛覆蓋的特點(diǎn)。該系統(tǒng)的監(jiān)測終端、路由節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)關(guān)等關(guān)鍵組件,通過各自的功能和工作原理的相互配合,構(gòu)建了一個(gè)可靠、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸和通信環(huán)境。同時(shí),系統(tǒng)具備多種數(shù)據(jù)通信方式、實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程管理、數(shù)據(jù)可靠性和系統(tǒng)可擴(kuò)展性等特點(diǎn),能夠滿足不同規(guī)模和應(yīng)用場景下的環(huán)境監(jiān)測需求。在實(shí)際應(yīng)用中,還需要考慮節(jié)點(diǎn)布局、數(shù)據(jù)處理和分析算法等方面的問題,并結(jié)合具體環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。總之,該系統(tǒng)為環(huán)境監(jiān)測提供了一種有效的解決方案,具有一定的理論和實(shí)踐價(jià)值。